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科普知识 薄膜光伏电池知识一览

日期:2012年10月22日 09:20

  金融危机后晶体硅市场似乎又迎来了一个高速扩张期,多晶硅产能释放、行业瓶颈突破、薄片化技术推动成本下降,转换效率稳步提升,晶硅电池强势保持着其主导地位,而之前上升的薄膜电池却受到晶硅电池的逼迫压力。转眼间,几年已过走入2011年,全球光伏产业在高速发展过后,带来的确是产能的严重过剩,多晶硅暴跌,大批企业破产。再加上如今惨遭欧美印的多方围堵,中国光伏陷入“极寒”之中。在“寒冬腊月”之中,全球的光伏巨头、中国的光伏大佬也不堪重负,也纷纷“缴械”。从赛维、尚德,大全新能源到如今的晶澳,无不面临着退市的风险。

  在如今这场危机中,很多专家认为发展薄膜电池是解决当前中国光伏困境的良好办法。而根据《可再生能源发展”十二五”规划》,明确提出了未来5年内屋顶太阳能装机规模目标为300万千瓦,到2020年规模达2500万千瓦的要求,业内分析认为,随着未来屋顶光伏电站的大规模开建,相对更适用于屋顶电站的薄膜太阳能组件市场有望迎来发展良机,而这一市场未来10年的规模或可达1000亿元以上。此前普遍不被看好的薄膜太阳能电池组件商有望进入业绩大幅增长通道,可以说薄膜时代即将来临。

  什么是薄膜电池?

  顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池,其用硅量极少,更容易降低成本,同时它既是一种高效能源产品,又是一种新型建筑材料,更容易与建筑完美结合。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下,薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种:硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池(CIGS)、碲化镉薄膜太阳能电池(CdTe)。其中,硅基薄膜电池以其特有的优势快速发展。2010年行业专家预测,a-Si,CdTe,CIGS3种电池将分别占有薄膜光伏市场的52%,37%和11%。

  发电原理与晶体硅相似,当太阳光照射到电池上时,电池吸收光能产生光生电子—空穴对,在电池内建电场的作用下,光生电子和空穴被分离,空穴漂移到P侧,电子漂移到N侧,形成光生电动势,外电路接通时,产生电流。

  薄膜电池的优点

  优点:

  (1)成本低,根据Photon的预测,预计到2012年下降到2.08美元/w;预计薄膜电池的平均价格能够从现在的2.65美元/w降至1.11美元/w,与晶体硅相比优势明显;而相关薄膜电池制造商的预测更加乐观,EPV估计到2011年,薄膜组件的成本将大大低于1美元/w;Oerlikon更估计2011年GW级别的电站其组件成本将降低于0.7美元/w,这主要是由转化率提高和规模化带来的。

  (2)弱光性好

  (3)适合与建筑结合的光伏发电组件(BIPV),不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池适用于建筑屋顶等,根据需要制作成不同的透光率,代替玻璃幕墙。

  缺点:

  (1)效率低,单晶硅太阳能电池,单体效率为14%-17%(AMO),而柔性基体非晶硅太阳电池组件(约1000平方厘米)的效率为10-12%,还存在一定差距。

  (2)稳定性差,其不稳定性集中体现在其能量转换效率随辐照时间的延长而变化,直到数百或数千小时后才稳定。这个问题一定程度上影响了这种低成本太阳能电池的应用。

  (3)相同的输出电量所需太阳能电池面积增加,与晶体硅电池相比,每瓦的电池面积会增加约一倍,在安装空间和光照面积有限的情况下限制了它的应用。

  薄膜光伏电池前景

  联合国能源机构发布的调查报告曾显示,BIPV将成为21世纪光伏应用市场的热点;大规模的BIPV建设将伴随着大量薄膜电池的应用,与BIPV应用相结合的薄膜电池,也将在未来太阳电池市场中占据更为重要的市场份额

  首先,结合城市发展及未来建筑一体化的发展趋势来看薄膜市场,未来薄膜电池肯定将占据大片光伏市场,除了电站,BIPV是未来城市建筑的必然选择。生态城市、绿色城市、低碳城市,无论哪个概念都离不开BIPV的大规模和高效率应用。而且,在城市内太阳能发电是最靠近负荷中心的,BIPV无疑是最佳选择,可以延伸的还有电热一体化,这是北方城市选择的发展趋势。

  其次,在政策上,城市建筑发电系统的应用还将有待新的能源政策出台,目前全球对光伏电站的鼓励政策正在用尽,下一轮不排除在BIPV的政策上做文章。而BIPV的发电技术日趋成熟,靠近负荷中心的便利性大大提升了光伏发电的实际使用效率,加之建筑一体化的特性,实际投资费用大大低于在野外的光伏电站,在投资和能效比上具有巨大优势,是未来城市发展的必然选择,这方面薄膜电池显然更具有优势。

  最后,在技术上,前两年半导体的不景气导致大量半导体和LED/TFT优秀人才流动到光伏行业,从事这些生产工艺的开发。这两年无论是晶硅电池还是薄膜电池,在生产工艺技术上大量地采用半导体工艺,技术进度很快,使得薄膜电池的成本优势和可持续发展的优势更加显现,越来越多的企业看到了薄膜电池的潜在优势。

  如何发展太阳能薄膜电池

  近几年,世界上光伏电池以及组件产量每年以高于30%的速度增长,并且今后增长的主力将是中国。太阳能电池领域知名专家、清华大学教授张弓在由清华大学MBA创投与创新俱乐部主办的环保能源绿色产业论坛上表示:“光伏发电已经逐渐从特殊领域供电转向作为常规能源的一种重要补充,并以分散的形式进入电力市场。在可预见的将来,光伏发电必将部分取代常规能源。”目前光伏产业中主流的电池产品为单晶硅、多晶硅电池,但成本过高,要想解决光伏产业中太阳能电池成本过高的问题,就需要想办法提高光电转换效率和降低制造成本,那么,薄膜化则成为太阳能电池发展的必由之路,代表未来发展方向的也是薄膜太阳电池,同时还要求高转换效率和低成本。典型企业是美国第一太阳能公司,该公司是近几年增长速度最快的一家公司,它在成本控制和转换效率提升方面做的都非常优秀,分别是美国第一太阳能公司从2007年一季度到2010年底的成本控制和转换效率提升示意图。美国第一太阳能公司这几年之所以能快速提升,关键因素就在于其成本的不断降低和转换效率的持续提升,代表了薄膜太阳电池如何发展的方向。

  其次,薄膜太阳电池要想站稳脚跟,必须不断地开发新品,尤其是应用型产品,充分利用其柔性、透明、弱光效应好等优势。因为薄膜太阳电池可以做成柔性的,可铺贴在汽车表面、家庭内、外墙面等任意形状的物体上,使其应用领域更加广泛;因为可以做成透明的,则可以用于需要照明的任何建筑物上,比如候车室、火车站站台等;由于弱光效应好,可以应用于室内光照强度低的地方,比如应急照明灯、微型电子办公用品等。如上所述,薄膜太阳电池的应用几乎可伸展到人们生活的任何角落,人们使用的任何电子产品都可以由薄膜电池供电。因此,薄膜太阳电池要不断延伸自己的应用领域,开发出晶硅太阳电池不合适的应用领域,使自己在新能源领域占有一席之地。

  最后,开发新材料、研究新制备技术是长足发展之路。新的制备技术、新的制备材料将是薄膜太阳电池发展的驱动力,而新应用领域的开发都是由新技术应用带动的。薄膜太阳电池由于其制备不受基板形貌、材质、大小的限制,因此,在将来可以沉积在任何形貌、材料、大小的物体上。伴随着沉积设备、沉积工艺的逐渐成熟,薄膜太阳电池制备成本将越来越低,在可以预见的将来,薄膜太阳电池将应用到人们能接触的任何物体上,比如:汽车曲面玻璃、窗户玻璃、装饰品、公园建筑等。这些新的应用,无论哪一项都会给薄膜电池带来商机。

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